JP2015153851A - ボール搭載用マスクおよびボール搭載装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プリント配線板の接続パッドの位置のばらつきに、従来よりも少ない数のボール搭載用マスクで対応することにある。【解決手段】プリント配線板の複数の接続パッドに対応する複数の開口を備えるボール搭載用マスクであって、周辺部に位置する挟持部を挟持されて張力を変更されると、プリント配線板の複数の接続パッドの位置に応じて複数の開口の相対位置が変化するように弾性変形する。【選択図】図８

Description

本発明は、プリント配線板の接続パッド領域の各接続パッドに半田バンプとなる半田ボールを搭載するためのボール搭載用マスクおよびボール搭載装置に関する。

特許文献１は、プリント配線板の接続パッド領域の各接続パッドに半田バンプとなる半田ボールを搭載するボール搭載装置を開示している。特許文献１は、直径２００μｍ未満の半田ボールを各接続パッドに確実に搭載することを目的とする。このため特許文献１では、ボール搭載用マスクの上方に位置し、開口部から空気を吸引することで開口部直下に半田ボールを集合させる筒部材と、前記筒部材を水平方向に移動させることで、前記ボール搭載用マスクの上に集合させた半田ボールを移動させ、ボール搭載用マスクの開口を介して半田ボールをプリント配線板の各接続パッドへ落下させる移動機構とを備えている。

特許文献２は、プリント配線板の複数の接続パッドに対応する複数の開口を備えるボール搭載用のコンビネーションマスクを開示している。特許文献２は、メタルマスクの平面精度を高くすることを目的とする。このため特許文献２では、メタルマスクの周囲を中空の枠に伸縮性あるシートを介して貼り付けて各辺に同等の張力を与えるとともに、メタルマスクの角部に突出部材を取り付けて外方斜め方向に張力を付えている。

特開２００６−０７４００１号公報 特開２０１０−０５０２６８号公報

プリント配線板の複数の接続パッドの位置にはプリント配線板間でばらつきがある。プリント配線板の接続パッドの位置がマスクの開口に対して電極の大きさの半分以上ずれると、例えば特許文献１に開示されているようなボール搭載装置による半田ボールの搭載の際に半田ボールが接続パッドに乗らず、半田バンプの形成不良が生じる可能性がある。マスクの開口に対する接続パッドの位置のずれは、近年のプリント配線板の配線ピッチの微細化に伴って生じ易くなっている。このため、従来は開口の配置を少しずつ異ならせたマスクを複数準備しているが、コストアップの原因となっている。

特許文献２にはメタルマスクに張力を加えて平面精度を高くしたコンビネーションマスクが記載されているが、このコンビネーションマスクでは、マスクの開口の配置を変更するまでには至っていない。

本発明は、プリント配線板の接続パッドの位置のばらつきに少ない数のマスクで対応し、プリント配線板の製造コストを削減することを目的とする。

本発明のボール搭載用マスクは、プリント配線板の複数の接続パッドに対応する複数の開口を備えるボール搭載用マスクにおいて、
周辺部に位置する挟持部を挟持されて張力を変更されると、前記プリント配線板の複数の接続パッドの位置に応じて前記複数の開口の相対位置が変化するように弾性変形することを特徴とする。

また、本発明のボール搭載装置は、半田バンプとなる半田ボールをプリント配線板の接続パッド領域の各接続パッドに搭載する半田ボール搭載装置であって、
プリント配線板の複数の接続パッドに対応する複数の開口を備えるボール搭載用マスクの周辺部に位置する挟持部を挟持して前記ボール搭載用マスクを前記プリント配線板の上方に位置決め保持する複数のマスククランプと、
前記半田ボールを前記ボール搭載用マスク上で移動させ、前記複数の開口を介して前記プリント配線板の前記複数の接続パッド上にそれぞれ落下させて移載する半田ボール移載機構と、
前記複数のマスククランプを相互に移動させて前記ボール搭載用マスクの張力を変更し、前記プリント配線板の複数の接続パッドの位置に応じて前記複数の開口の相対位置が変化するように前記ボール搭載用マスクを弾性変形させるマスク変形機構と、
を備えてなる。

本発明の一実施形態に係るボール搭載装置が示されている。（Ａ）はその実施形態に係るボール搭載装置の正面図であり、（Ｂ）はその実施形態に係るボール搭載装置の側面図である。 上記実施形態に係るボール搭載装置の作動が示されている。（Ａ）はボール搭載用マスクのアライメント工程が示され、（Ｂ）はボール搭載用マスク上への半田ボールの供給工程が示されている。 上記実施形態に係るボール搭載装置の作動が示されている。（Ａ）はボール搭載用マスク上での半田ボールの集合工程が示され、（Ｂ）はプリント配線板上への半田ボールの移載工程が示されている。 上記実施形態に係るボール搭載装置の作動が示されている。（Ａ）はボール搭載用マスクの開口のある領域上の余剰の半田ボールの除去工程が示され、（Ｂ）はボール搭載用マスクの開口のない領域上の余剰の半田ボールの除去工程が示されている。 （Ａ）は本発明の一実施形態に係るボール搭載用マスクが示された平面図であり、（Ｂ）は上記実施形態に係るボール搭載装置のマスク変形機構によるその実施形態のボール搭載用マスクの変形状態が示された概念図である。 （Ａ）はボール搭載用マスクの開口の間隔がプリント配線板の接続パッドの間隔より広い場合が示された平面図であり、（Ｂ）はボール搭載用マスクの開口の間隔がプリント配線板の接続パッドの間隔より広い場合が示された平面図である。 （Ａ）は本発明の一実施形態に係るボール搭載用マスクが有するニッケル製のメタルマスクの応力と変形の関係が示された応力−変形関係線図であり、（Ｂ）はその実施形態に係るボール搭載用マスクが有するポリエステル織布製の緩衝エリアの応力と変形の関係が示された応力−変形関係線図である。 （Ａ）〜（Ｅ）はメタルマスクへの張力付加の各種の態様例が示された説明図である。

以下に、本発明の実施形態が図面に基づき詳細に説明される。先ず、本発明の一実施形態に係るボール搭載装置１０について説明する。図１（Ａ），（Ｂ）には本発明の一実施形態に係るボール搭載装置１０が示されている。

この実施形態のボール搭載装置１０は、多層プリント配線板１を位置決め保持するＸＹθ吸引テーブル１２と、該ＸＹθ吸引テーブル１２を昇降移動させるテーブル昇降移動機構１４と、多層プリント配線板１の後述する多数の接続パッド３に対応する後述する多数の開口１６を備えるボール搭載用マスク１８と、ボール搭載用マスク１８上を移動する後述する半田ボール２０を誘導する搭載筒２２と、搭載筒２２に負圧を与える吸引ボックス２４と、余剰の半田ボール２０を回収するためのボール除去筒２６と、該ボール除去筒２６に負圧を与える吸引ボックス２８と、回収した半田ボール２０を保持するボール除去吸引装置３０と、を備える。

この実施形態のボール搭載装置１０はまた、ボール搭載用マスク１８をクランプするマスククランプ３２と、搭載筒２２およびボール除去筒２６をＸ方向へ送るＸ方向移動機構３４と、Ｘ方向移動機構３４を支持する移動機構支持ガイド３６と、多層プリント配線板１を撮像するためのアライメントカメラ３８と、搭載筒２２下にある半田ボール２０の残量を検出する残量検出センサ４０と、残量検出センサ４０により検出された残量に基づき半田ボール２０を搭載筒２２側へ供給する半田ボール供給装置４２と、を備える。なお、図示のボール搭載装置１０は、搭載筒２２およびボール除去筒２６の移動機構としてＸ方向へ送るＸ方向移動機構３４のみを備えるが、Ｙ方向へ送る移動機構を備えることも可能である。

搭載筒２２には、下端開口部２２Ａ（図２（Ｂ）参照）が矩形に形成してある。このため、半田ボール２０を略矩形状に集合させて、多数個取り用の多層プリント配線板１の個別の多層プリント配線板に対応する略矩形形状の接続パッド領域内の多数の接続パッド３上に半田ボール２０を効率的に搭載することができる。多数個取り用の多層プリント配線板１の上方に、ボール搭載装置１０の搭載筒２２およびボール除去筒２６が、個々の接続パッド領域に対応してＹ方向へ複数並べられている。なお、ここでは、一つの接続パッド領域に一本の搭載筒２２を対応させたが、搭載筒２２を複数の接続パッド領域に対応した大きさにしてもよい。またここで、搭載筒２２およびボール除去筒２６をＹ方向に並べたのは便宜的であり、搭載筒２２およびボール除去筒２６をＹ方向へ送る移動機構を備える場合は、搭載筒２２およびボール除去筒２６をＸ方向に並べても良い。

ＸＹθ吸引テーブル１２は、半田ボール２０を搭載される多層プリント配線板１を位置決め、吸着、保持および補正する。アライメントカメラ３８は、ＸＹθ吸引テーブル１２上の多層プリント配線板１の後述するアライメントマーク５を検出し、検出された位置に基づき、多層プリント配線板１とボール搭載用マスク１８との位置が調整される。残量検出センサ４０は、光学的な手法により半田ボール２０の残量を検出する。

このボール搭載装置１０による半田ボール２０の搭載工程について図２〜図４を参照して説明する。なお、図２（Ａ）に示されるように、多層プリント配線板１の最外層の導体層２上にはソルダーレジスト層４が形成され、そのソルダーレジスト層４の開口６内に、導体層２の一部からなるアライメントマーク５と、導体層２上に形成された接続パッド３とが露出している。ソルダーレジスト層４上には接続パッド３を覆うようにフラックス７が印刷され、フラックス７は、接続パッド３上に搭載される半田ボール２０をその搭載位置に保持するとともに、後の半田ボール２０のリフローの際に半田ボール２０から形成される半田バンプの、接続パッド３への接続を補助する。

（１）多層プリント配線板の位置認識と位置調整
図２（Ａ）に示されるように、多数個取り用の多層プリント配線板１をＸＹθ吸引テーブル１２に搭載し、多層プリント配線板１のアライメントマーク５をアライメントカメラ３８により認識して、ボール搭載用マスク１８に対する多層プリント配線板１の位置をＸＹθ吸引テーブル１２によって補正する。即ち、先ず、ボール搭載用マスク１８の多数の開口１６が多層プリント配線板１の多数の接続パッド３に対しそれぞれ上下方向に概略整列するように多層プリント配線板１の位置を調整する。そしてその後、後述のようにボール搭載用マスク１８を弾性変形させて、ボール搭載用マスク１８の多数の開口１６が多層プリント配線板１の多数の接続パッド３に対しそれぞれ上下方向に整列させる。

（２）半田ボールの供給
図２（Ｂ）に示されるように、半田ボール供給装置４２から半田ボール２０を搭載筒２２側のボール搭載用マスク１８上に定量供給する。なお、半田ボール２０を予め搭載筒２２内に供給しておいてもよい。

（３）半田ボールの搭載
図３（Ａ）に示されるように、ボール搭載用マスク１８の上方に、該ボール搭載用マスク１８との所定のクリアランス（例えば、ボール径の０．５〜４倍）を保って搭載筒２２を位置させ、搭載筒２２の吸引部２２Ｂから空気を吸引することで、搭載筒２２と多層プリント配線板１間の隙間を通る空気の流速を例えば５m/sec〜３５m/secとして、当該搭載筒２２の開口部２４Ａ直下のボール搭載用マスク１８上に半田ボール２０を集合させる。

その後、図３（Ｂ）に示されるように、多層プリント配線板１のＹ軸方向に沿って並べられた搭載筒２２を、Ｘ方向移動機構３４を介してＸ軸方向に水平方向へ送り、ボール搭載用マスク１８の上に集合させた半田ボール２０をその搭載筒２２の移動に伴って移動させ、ボール搭載用マスク１８の開口１６を介して半田ボール２０を多層プリント配線板１の接続パッド３の直上のフラックス７の上に落下させ、搭載して行く。これにより、半田ボール２０が多層プリント配線板１の全接続パッド３上に順次整列される。

（４）付着半田ボールの除去
図４（Ｂ）に示すように、搭載筒２２により余剰の半田ボール２０を一部吸引除去しつつボール搭載用マスク１８上の開口１６のない位置まで誘導した後、その誘導した余剰の半田ボール２０をボール除去筒２６により吸引除去する。

（５）多層プリント配線板の取り出し
半田ボール２０を搭載した多層プリント配線板１を、ＸＹθ吸引テーブル１２上から取り外して、ボール搭載装置１０から取り出す。なお、取り出した多層プリント配線板１を所定温度で所定時間加熱することにより、半田ボール２０がリフローして接続パッド３上に半田バンプが形成される。

次に、上記ボール搭載装置１０に用いられる、本発明の一実施形態に係るボール搭載用マスク１８について説明する。図５（Ａ）は本発明の一実施形態に係るボール搭載用マスクが示された平面図であり、図５（Ｂ）は上記実施形態に係るボール搭載装置のマスク変形機構によるその実施形態のボール搭載用マスクの変形状態が示された概念図である。

この実施形態のボール搭載用マスク１８は、図５（Ａ）に示されるように、上記開口１６が形成された矩形のメタルマスク４４と、そのメタルマスク４４の外周部分を支持するネット状の緩衝エリア４６と、その緩衝エリア４６の外周部分を支持する枠状のマスクフレーム４８と、を有している。メタルマスク４４は、例えばニッケルからなる厚み４７μｍで寸法５００×６００ｍｍの薄い金属箔で形成され、ヤング率１４１．６ＧＰａ（開口１６が多数設けられた接続パッド領域では６９．２ＧＰａ）のものである。また緩衝エリア４６は、例えばポリエステル糸からなる伸縮性のある織布で形成され、ヤング率０．８ＧＰａのものである。

上記ボール搭載装置１０に設けられているマスククランプ３２は、図１（Ａ），（Ｂ）に示されるようにボール搭載用マスク１８の枠状のマスクフレーム４８を水平に固定支持する固定クランプと、図１（Ａ），（Ｂ）では省略されているが図５（Ｂ）に示されるようにマスク変形機構５０によって水平移動される複数の可動クランプ５２とを有し、これらの可動クランプ５２は、ボール搭載用マスク１８のメタルマスク４４の外周部分の複数箇所あるいは緩衝エリア４６の外周部分の複数箇所をそれぞれクランプし、直接的あるいは緩衝エリア４６を介して間接的にメタルマスク４４の張力を変更する。

なお、マスク変形機構５０は、例えばＸ方向移動機構３４と同様にモータで回転駆動するねじでそれに螺合するナットを移動させるねじ式移動機構あるいはモータで回転駆動するカムでカムフォロワを移動させるカム式移動機構等により各可動クランプ５２を直線的に移動させるように構成することができる。

図６（Ａ）はボール搭載用マスクの開口の間隔がプリント配線板の接続パッドの間隔より広い場合が示された平面図であり、図６（Ｂ）はボール搭載用マスクの開口の間隔がプリント配線板の接続パッドの間隔より広い場合が示された平面図である。多数個取り用の多層プリント配線板１の寸法は、約６０μｍのばらつきを有する。従来のメタルマスク４４は開口１６の位置が固定されているため、多数個取り用の多層プリント配線板１の中央部の接続パッド領域の接続パッド３をメタルマスク４４の開口１６の中央に位置合わせすると、上記の寸法のばらつきにより、多層プリント配線板１の周辺部の接続パッド領域の接続パッド３は、図６（Ａ），（Ｂ）に示されるように、メタルマスク４４の開口１６の中央からずれて位置する。

ボール搭載位置が接続パッド３の半径よりも大きくずれると、リフローの際に半田ボール２０が接続パッド３に接触しない可能性があり、これにより、リフロー後に半田バンプが接続パッド３に接続されなかったり隣接する半田バンプに接触して一体化したりする不都合が生じる可能性がある。

かかる不都合を解消するため、この実施形態のボール搭載用マスク１８は、周辺部に位置する挟持部を可動クランプ５２で挟持されて張力を変更されると、多層プリント配線板１の複数の接続パッド３の位置に応じて複数の開口１６の相対位置が変化するようにメタルマスク４４が弾性的に伸縮変形する。

図７（Ａ）は本発明の一実施形態に係るボール搭載用マスクが有するニッケル製のメタルマスクの応力と変形の関係が示された応力−変形関係線図であり、図７（Ｂ）はその実施形態に係るボール搭載用マスクが有するポリエステル織布製の緩衝エリアの応力と変形の関係が示された応力−変形関係線図である。

多数個取り用の多層プリント配線板１の寸法の６０μｍのばらつきに対応するためにニッケル製のメタルマスク４４を６０μｍ変形させるには約５０Ｎ／ｍ^２の張力が必要となるが、メタルマスク４４は高い平面精度を確保するために緩衝エリア４６を介して約１００Ｎ／ｍ^２の初期張力を与えられてマスクフレーム４８に固定されているので、さらに５０Ｎ／ｍ^２の張力の増減があっても、図７（Ａ）に示されるように、弾性領域内での伸縮変形が可能である。

図８（Ａ）〜（Ｅ）は可動クランプ５２によるメタルマスクへの張力付加の各種の態様例が示された説明図であり、太線および黒丸は張力を加える場所、矢印は張力の方向を示している。図８（Ａ）は、メタルマスク４４の周辺部全体を例えば緩衝エリア４６を介して引っ張る場合であり、図８（Ｂ）は、メタルマスク４４の周辺部の各辺を部分的に引っ張る場合であり、図８（Ｃ）は、メタルマスク４４の周辺部の各辺をその中央部から辺に沿って互いに離間する方向へ引っ張る場合であり、図８（Ｄ）は、メタルマスク４４の周辺部の各角部を引っ張る場合であり、図８（Ｅ）は、メタルマスク４４の周辺部の各辺の中央部を引っ張る場合である。

これら図８（Ａ）〜（Ｅ）に示す各態様について、通常の有限要素法でのシミュレーションにより、メタルマスク４４の周辺部に張力を加えた場合の平面方向（Ｘ，Ｙ方向）のひずみを０．８ｍｍ間隔で数値化し、メタルマスク４４のひずみのばらつきを算出したところ、図８（Ａ）の態様では０．００００％であり、図８（Ｂ）の態様では０．０００４％であり、図８（Ｃ）の態様では０．００２７％であり、図８（Ｄ）の態様では０．００２８％であり、図８（Ｅ）の態様では０．００４０％であった。従って、メタルマスク４４の周辺部に張力を加える態様としては、ひずみのばらつきが０．００２８％以下の図８（Ａ）〜（Ｄ）がより好ましく、ひずみのばらつきが０．０００４％以下の図８（Ａ），（Ｂ）がさらに好ましい。

なお、同様のシミュレーションにより求めたメタルマスク４４の厚み方向（Ｚ方向）のひずみは、最大で約０．０５％であり、これは変形量０．０１μｍに相当するが、メタルマスク４４の仕上がり公差２μｍと比較すれば充分に小さく、問題にならない程度である。

さらに、同様のシミュレーションにより求めたポリエステル織布製の緩衝エリア４６の最大ひずみはＸ方向の約０．８７％であり、緩衝エリア４６の変形は、図７（Ｂ）に示されるように、弾性変形領域内に抑えることができる。そしてこのシミュレーションによれば、緩衝エリア４６を介してメタルマスク４４に張力を加えた場合にはメタルマスク４４にひずみなく均一に応力が加わることが確認された。

この実施形態のボール搭載用マスクおよびボール搭載装置によれば、多数個取り用の多層プリント配線板１の接続パッド３の位置のばらつきに、従来よりも少ない数のボール搭載用マスク１８で対応し、プリント配線板の製造コストを削減することができる。

以上、図示例に基づき説明したが、本発明は上記例に限定されるものでなく、特許請求の範囲の記載範囲内で適宜変更し得るものであり、例えば、図８はメタルマスクを引っ張る態様を示したが、本発明のボール搭載装置のマスク変形機構はこれに限られず、図示の矢印と逆の方向に可動クランプを移動させて初期張力を減少させるようにしてもよい。

また、実施形態のボール搭載装置１０は搭載筒２２およびボール除去筒２６をＸ方向移動機構３４で移動させて半田ボール２０をプリント配線板１に搭載したが、本発明のボール搭載装置はこれに限られず、他の方法で半田ボール２０をプリント配線板１に搭載するものでもよい。

さらに、実施形態のボール搭載用マスク１８ではマスクフレーム４８は一体の枠状をなしており、可動クランプ５２はそのマスクフレーム４８の内側のメタルマスク周辺部または緩衝エリア周辺部を挟持しているが、本発明のボール搭載用マスクはこれに限られず、マスクフレームが複数の部分に分割され、可動クランプがマスクフレームのそれら複数の部分にそれぞれ存在する挟持部を挟持するようにしてもよい。

また、実施形態のボール搭載用マスク１８では緩衝エリア４６を介してメタルマスク４４がマスクフレーム４８に支持されているが、本発明のボール搭載用マスクはこれに限られず、メタルマスクがマスクフレームに直接支持されていてもよい。

そして、実施形態のボール搭載用マスク１８では緩衝エリア４６がポリエステル製織布、メタルマスク４４がニッケル製であるが、本発明のボール搭載用マスクはこれに限られず、メタルマスクや緩衝エリアの材料は適宜選択することができる。

本発明のボール搭載用マスクおよび本発明のボール搭載装置によれば、プリント配線板の接続パッドの位置のばらつきに、従来よりも少ない数のボール搭載用マスクで対応し、プリント配線板の製造コストを削減することができる。

１ 多層プリント配線板
２ 最外層の導体層
３ 接続パッド
４ ソルダーレジスト層
５ アライメントマーク
６ 開口
７ フラックス
１０ ボール搭載装置
１２ ＸＹθ吸引テーブル
１４ テーブル昇降移動機構
１６ 開口
１８ ボール搭載用マスク
２０ 半田ボール
２２ 搭載筒
２２Ａ 下端開口部
２２Ｂ 吸引部
２４，２８ 吸引ボックス
２６ ボール除去筒
３０ ボール除去吸引装置
３２ マスククランプ
３４ Ｘ方向移動機構
３６ 移動機構支持ガイド
３８ アライメントカメラ
４０ 残量検出センサ
４２ 半田ボール供給装置
４４ メタルマスク
４６ 緩衝エリア
４８ マスクフレーム
５０ マスク変形機構

Claims (6)

1. プリント配線板の複数の接続パッドに対応する複数の開口を備えるボール搭載用マスクにおいて、
   周辺部に位置する挟持部を挟持されて張力を変更されると、前記プリント配線板の複数の接続パッドの位置に応じて前記複数の開口の相対位置が変化するように弾性変形することを特徴とするボール搭載用マスク。
2. 前記周辺部は矩形形状をなしており、
   前記挟持部は前記矩形形状の互いに対向する辺に沿って延在することを特徴とする請求項１記載のボール搭載用マスク。
3. 前記周辺部には緩衝エリアが設けられており、
   前記挟持部は前記緩衝エリアに存在することを特徴とする請求項１または２記載のボール搭載用マスク。
4. 前記周辺部にはマスクフレームが設けられており、
   前記マスクフレームは複数の部分に分割され、
   前記挟持部は前記マスクフレームの複数の部分に存在することを特徴とする請求項１または２記載のボール搭載用マスク。
5. 前記周辺部にはマスクフレームが設けられており、
   前記挟持部は前記マスクフレームの内側に存在することを特徴とする請求項１または２記載のボール搭載用マスク。
6. 半田バンプとなる半田ボールをプリント配線板の接続パッド領域の各接続パッドに搭載するボール搭載装置であって、
   プリント配線板の複数の接続パッドに対応する複数の開口を備えるボール搭載用マスクの周辺部に位置する挟持部を挟持して前記ボール搭載用マスクを前記プリント配線板の上方に位置決め保持する複数のマスククランプと、
   前記半田ボールを前記ボール搭載用マスク上で移動させ、前記複数の開口を介して前記プリント配線板の前記複数の接続パッド上にそれぞれ落下させて移載する半田ボール移載機構と、
   前記複数のマスククランプを相互に移動させて前記ボール搭載用マスクの張力を変更し、前記プリント配線板の複数の接続パッドの位置に応じて前記複数の開口の相対位置が変化するように前記ボール搭載用マスクを弾性変形させるマスク変形機構と、
   を備えてなるボール搭載装置。

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